改进的主动土压力计算方法

墙背土压力分布与挡土墙的位移大小和转动模式密切相关。针对绕墙底向外转动的刚性挡土墙,基于土压力形成机制的分析及已有的研究成果,建立挡土墙位移与墙背土体内摩擦角发挥值之间的关系式,反映了墙背土体内摩擦角随着挡土墙位移的增加而渐进发挥的过程。在此基础上,提出一种改进的考虑位移影响的主动土压力计算方法。计算结果表明,随着挡土墙位移的增大,墙背土压力由静止土压力逐步减小。当挡土墙位移达到临界值后,相应的墙背土压力均收敛于库仑主动土压力。墙底背面土压力也是随着挡土墙位移的增长而逐步收敛于库仑主动土压力。与模型试验结果对比表明,理论计算值与试验实测值基本吻合。     

地震作用下挡土墙主动土压力及转动位移分析

分析地震引起的挡土墙位移及墙后土压力,对于评估挡土墙可靠性具有重要意义。基于拟动力法,考虑时效、地震波传播的相位差、超载、墙背摩擦角、填土黏聚力以及填土开裂等影响,建立地震作用下挡土墙主动土压力计算模型,获得挡土墙绕墙趾转动模式下主动土压力大小、分布形式及作用点高度。同时,考虑挡土墙本身受地震荷载作用的影响,求出挡土墙绕墙趾的转动位移。通过与Mononobe-Okabe法对比可知,文中获得的主动土压力值与Mononobe-Okabe法接近,但Mononobe-Okabe法低估了主动土压力作用点高度,表明采用Mononobe-Okabe法设计存在风险。通过算例分析了地震系数、墙背摩擦系数、超载大小、时间、填土黏聚力和内摩擦角对挡土墙转动位移的影响。     

考虑墙壁摩擦影响的挡土墙主动土压力非线性分布研究

挡土墙背土压力的大小与分布是挡土墙设计的普遍关心的问题。由于边界条件、墙背摩擦等的影响,墙背土压力呈现非线性分布特征。而现有几种考虑土拱效应的土压力计算方法,其准确性有待验证。利用开发的挡土墙土压力试验装置,配合椭圆钢棒相似土进行了二维可视化模型试验。采用钢棒相似土配合载荷计测试的方法,精确测量土压力变化,解决了土压力盒测试侧向土压力往往存在较大误差的问题。对静止条件和主动平移模式两种情况下的土压力分布进行了模拟与实测,并与应用现有几种理论方法的计算结果进行对比。由于墙背摩擦以及土拱效应的影响,静止和主动土压力均呈非线性分布,静止土压力实测值小于理论值,实测主动土压力值与Paik法数据吻合较好。由于受墙壁摩擦影响,墙后滑移面倾角小于理论破裂面倾角,且墙壁摩擦引起的应力偏转导致弧形滑移面的发展。     

考虑墙壁摩擦影响的挡土墙主动土压力非线性分布研究

挡土墙背土压力的大小与分布是挡土墙设计的普遍关心的问题。由于边界条件、墙背摩擦等的影响,墙背土压力呈现非线性分布特征。而现有几种考虑土拱效应的土压力计算方法,其准确性有待验证。利用开发的挡土墙土压力试验装置,配合椭圆钢棒相似土进行了二维可视化模型试验。采用钢棒相似土配合载荷计测试的方法,精确测量土压力变化,解决了土压力盒测试侧向土压力往往存在较大误差的问题。试验就静止条件和主动平移模式下的土压力分布进行了模拟与实测,对比了几种现有计算理论的结果。由于摩擦以及土拱效应发挥,静止土压力和主动土压力均呈非线性分布,静止土压力小于理论值,主动土压力实测数据与Paik法吻合较好。由于受墙壁摩擦影响,墙后滑移面倾角小于理论破裂面。并且,墙壁摩擦引起的应力偏转导致弧形滑移面的发展。     

考虑墙壁摩擦影响的挡土墙主动土压力非线性分布研究

挡土墙背土压力的大小与分布是挡土墙设计的普遍关心的问题。由于边界条件、墙背摩擦等的影响,墙背土压力呈现非线性分布特征。而现有几种考虑土拱效应的土压力计算方法,其准确性有待验证。利用开发的挡土墙土压力试验装置,配合椭圆钢棒相似土进行了二维可视化模型试验。采用钢棒相似土配合载荷计测试的方法,精确测量土压力变化,解决了土压力盒测试侧向土压力往往存在较大误差的问题。试验就静止条件和主动平移模式下的土压力分布进行了模拟与实测,对比了几种现有计算理论的结果。由于摩擦以及土拱效应发挥,静止土压力和主动土压力均呈非线性分布,静止土压力小于理论值,主动土压力实测数据与Paik法吻合较好。由于受墙壁摩擦影响,墙后滑移面倾角小于理论破裂面。并且,墙壁摩擦引起的应力偏转导致弧形滑移面的发展。     

不同填土宽度下设置EPS垫层挡土墙试验研究

在刚性挡土墙后设置柔性垫层能增大填土的实际侧向位移从而有效减小墙背土压力。通过自制模型箱开展室内试验,模拟了墙后设置EPS(聚苯乙烯土工泡沫)垫层的挡土墙在静止状态和平动模式下的工况,探究了不同填土宽度下设置EPS垫层后挡土墙静止土压力、主动土压力的分布规律,研究EPS垫层参数对其减压性能的影响,定义EPS垫层减压效率对挡土墙后EPS垫层的减压性能进行定量分析。研究结果表明:有限填土工况下,EPS垫层最大减压效率与主动土压力等效减压效率值存在一定的差距,但此时EPS垫层参数对减压效率影响较小;随着填土宽度逐渐增大至半无限土体范围,EPS垫层的最大减压效率逐渐增大,而后稳定于主动土压力等效减压效率。     

滑裂面形状对挡土墙主动土压力的影响

滑裂面的准确选取对挡土墙稳定性分析有重要影响。基于塑性极限分析理论,分别推导了直线和对数螺旋线滑移模式下挡土墙主动土压力的计算公式,通过算例对比分析研究了平面滑裂面和对数螺旋滑裂面主动土压力的特点。研究结果表明:直线滑裂面为对数螺旋滑裂面的一种特例,随着滑裂面曲率增大,主动土压力合力作用点逐渐上移,主动土压力合力略有增加,但对墙趾的弯矩显著增加,不利于挡土墙稳定性;挡土墙各参数对直线滑裂面主动土压力合力作用点有不同影响,随着填土内摩擦角、挡墙倾角、填土倾角的增大而上移,随着墙土间摩擦角、黏聚力与容重挡土墙高度的乘积之比的增大而下移,合力作用点位置大致在0.2~0.4倍墙高处,说明主动土压力的非线性分布。研究结果对准确选取滑裂面形状计算挡土墙主动土压力有实际工程应用价值。      

刚性挡土墙主动土压力颗粒流模拟

将土体离散为具有滑动连接模型的刚性条块,用颗粒流PFC2D程序数值从细观力学角度模拟了墙体平移(T)、绕墙底转动(RB)和绕墙顶转动(RT)位移模式下不同位移大小时刚性挡土主动土压力分布。模拟结果表明：刚性挡墙主动土压力非线性分布、墙土间外摩擦角和土体剪切角或内摩擦角对土压力有很大影响;墙体绕顶部转动时,大约0.3倍墙高以上的主动土压力大于静止土压力产生土拱效应;模拟计算值与模型试验实测数据吻合比较好,具有一定的理论价值。     

多级重力式挡土墙土压力分布试验研究

对某高填方路基挡土墙的现场实测水平土压力数据进行了分析,研究表明:该挡墙墙后土压力呈曲线分布,类似字母"R",土压力最大值出现在挡墙底部,而下部的值略小于底部值,最小值出现在挡墙中部。在本级挡墙施工时,墙后第1、2层土压力值接近静止土压力值,大于主动土压力值,第3、4层土压力值小于主动土压力值;在其上若干级挡墙或边坡施工时墙后各点土压力值均小于主动土压力值,即随着填土深度的变化挡墙后各点的土压力系数是在不断变动着的,土压力系数与土压力数值大小的变化规律一致。同时,土压力作用点介于(0.4～0.5)H,且随填土深度增加作用点位置上移;每级挡土墙之间的平台宽度越小,上级挡土墙对下级挡土墙的影响就越大,土压力作用点就越高。研究结论对高填方多级挡土墙的设计具有理论指导意义。     

山区挡土墙土压力的现场试验研究

结合某山区高速公路多个挡土墙墙背水平土压力的监测数据,对挡土墙墙背的水平土压力时空分布规律进行了详细地研究。研究结果表明：施工期间,不同深度的土压力随着上部填土高度增加而增长的速度不同,愈是接近墙顶,其增加越快;施工期间实测水平土压力介于静止土压力和被动土压力之间,在墙身的3/4以下与静止土压力接近,在墙身的1/2以上与垂直土压力接近。刚施工完的挡土墙土压力为非线性分布,近似成双直线,实际土压力合力介于静止土压合力和垂直土压合力之间,更接近静止土压合力,其大小约为库伦主动土压力的2.5倍,为库伦被动土压力的0.3倍。土压力合力作用点在0.38倍墙高处。土压力随着时间而变化,在测量期间土压力变化规律为先减少后增加,总的趋势是不断增加,且随时间的变化量较大。     

考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法

挡土结构上土压力的计算是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。实际工程中的土压力通常是介于主动土压力和被动土压力之间的某一值,墙后填土由于碾压具有较高的密实度。经典的朗肯和库仑土压力理论只能计算极限状态下的土压力,没有考虑挡墙的位移以及剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低到残余强度这一强度变化特性对于土压力的影响。给出了考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法,该方法能够同时考虑剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低为残余强度这一强度变化特性对被动土压力的影响。通过土压力模型试验结果对计算方法进行了初步验证,计算结果和试验结果吻合较好,表明了该方法的有效性。     

Pseudo-dynamic approach of seismic active earth pressure behind retaining wall

Knowledge of seismic active earth pressure behind rigid retaining wall is very important in the design of retaining wall in earthquake prone region. Commonly used Mononobe-Okabe method considers pseudo-static approach, which gives the linear distribution of seismic earth pressure in an approximate way. In this paper, the pseudo-dynamic method is used to compute the distribution of seismic active earth pressure on a rigid retaining wall supporting cohesionless backfill in more realistic manner by considering time and phase difference within the backfill. Planar rupture surface is considered in the analysis. Effects of a wide range of parameters like wall friction angle, soil friction angle, shear wave velocity, primary wave velocity and horizontal and vertical seismic accelerations on seismic active earth pressure have been studied. Results are provided in tabular and graphical non-dimensional form with a comparison to pseudo-static method to highlight the realistic non-linearity of seismic active earth pressures distribution.     

离心模型挡土墙试验设备的研制

土压力问题是土力学和岩土工程领域的基本研究课题。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和研究土压力形成物理机制的有力工具。笔者研制开发的土压力离心模型试验设备,可用于刚性挡墙的静止土压力和平动模式下主动侧土压力的研究。该设备采用电机作为驱动系统,使得挡墙能够缓慢均匀地位移;配备有控制挡墙位移的自动控制系统,使得挡墙在离心加速度增大的过程能够保持静止状态。针对填土面水平、墙后填土为砂土的情况进行了离心模型试验,测量了墙背土压力及填土位移场随挡墙位移量的变化。试验结果规律好,验证了设备的有效性。     

挡土墙发生位移情况下的土压力计算

挡土墙在发生变形位移情况下的土压力计算在工程设计中有着重要的意义,而目前的理论不能对这一情况进行分析计算。在分析土压力随墙体位移变化而变化的规律的基础上,建立了能反映主动土压力和被动土压力的统一的考虑墙体位移的模型,并进行了研究分析,深化了对挡墙土压力的认识。     

临近地下室外墙影响下的挡土墙空间土压力研究

目前关于临近地下室外墙影响的挡土墙空间土压力的计算理论的研究还比较少,原有的平面应变条件下的理论不能满足挡土墙的长高比B/H较小时的挡土墙土压力计算要求。通过将土拱效应原理引入顾慰慈[8]建立的空间土压力计算模型,建立了考虑土拱效应的临近地下室外墙影响的空间土压力计算模型,根据挡土墙和地下室外墙的间距与土体破裂面状态的关系将该模型分为3种情况,并将各模型划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域,通过在各个区域内取水平微分单元体,建立各微分单元体的水平和竖向静力平衡方程,推导出了各区相应的挡土墙空间主动土压力计算公式,该公式可以计算出墙背任意位置的主动土压力;并提出了空间土压力合力及其合力作用点的计算方法。通过算例计算可以直观地看出挡土墙后主动土压力的空间分布,由此可以看出,当空间效应存在时,考虑土拱效应的挡土墙主动土压力沿墙长的分布与平面应变条件时有很大的不同,此时挡土墙两端附近区域的主动土压力远小于平面应变条件下计算出的主动土压力,同时可以看出,考虑空间效应的挡土墙主动土压力合力作用点要比平面应变条件下的位置要高,挡土墙长高比B/H越小,空间效应对主动土压力沿墙长的分布和主动土压力合力作用点位置的影响越大。     

Discrete element analysis for active and passive pressure distribution on retaining wall

Analysis based on Discrete Element Method (DEM) is presented for active and passive earth pressure distribution behind a retaining wall under different modes of wall movement. Soil mass in the present model is treated as comprising of blocks which are connected by elasto-plastic Winkler-springs. The solution of this method satisfies all equilibrium and compatibility conditions. Formulation of the method is briefly reviewed. Examples are shown to demonstrate the applicability of the method for analyses of earth pressure behind a gravity retaining wall. The DEM can be used to study the sliding patterns of backfill blocks which effect the earth pressure distribution behind the wall. Advantages of this method over the conventional limit equilibrium method are also discussed.     

主动与被动状态下墙体侧向位移近似计算

极限状态下墙体侧向位移对土压力计算和支挡结构设计影响显著。根据Rankine变形体和Coulomb刚塑体模型,将墙后土体变形分别当作单剪和直剪试验中试样的剪切过程,以达到极限剪切变形（剪应变或单位长度剪切位移）作为进入主被动状态标准,构建了土体变形与墙体位移的几何关系,提出了反映土体变形与强度特性,同时考虑静止时初始应力状态影响的墙体极限侧向位移近似计算模型。分析表明：土体极限剪切变形、滑移区范围、初始应力状态是影响墙体极限位移的核心要素,其中极限剪切变形占据主导作用,是导致不同颗粒组成及密实程度土体进入极限状态所需墙体位移差异显著的主要原因,而主被动区范围不同和因静止土压力系数 1引起的初始剪切变形,则是被动状态墙体位移远大于主动的关键因素;算例中主动与被动状态下墙体位移与墙高之比分别介于0.5‰～13.2‰和?0.4%～?5.2%,且主动状态下细粒土墙体位移大于粗粒土,计算结果与工程经验及相关文献模型试验基本一致。